Haletos de alquilo: substituição nucleofílica e eliminação

Classes de haletos Alquil: Halogénio, X, está ligado directamente ao carbono sp3.

Vinil: X está ligado ao carbono sp2 do alceno.

Aril: X está ligado ao carbono sp2 do anel benzénico.

Exemplos:

C

H

H

H

C

H

H

Br

alkyl halide

C CH

H

H

Clvinyl halide

I

aryl halide

Polaridade e Reactividade Halogénios são mais electronegativos que o carbono.

Ligação carbono-halogénio é polar, portanto o carbono tem

carga parcial positiva.

Carbono pode ser atacado por um nucleófilo.

Halogénio pode ficar com o par de electrões.

CH

HH

Br+ -

Classes de haletos de alquilo

Haletos de metilo: só com um C, CH3X

Primário: o C ao qual o X está ligado tem só uma ligação C-

C.

Secundário: o C ao qual o X está ligado tem duas ligações

C-C.

Terciário: o C ao qual o X está ligado tem três ligações C-C.

Dihaletos Dihaletos geminais: dois átomos de halogénio estão ligados ao

mesmo carbono

Dihaletos vicinais: dois átomos de halogénio estão ligados a

carbonos adjacentes.

C

H

H

H

C

H

Br

Br

geminal dihalide

C

H

H

Br

C

H

H

Br

vicinal dihalide

Nomenclatura IUPAC

Chamados haloalcanos.

Escolha a cadeia de carbono mais longa, mesmo que o carbono

não esteja ligado a essa cadeia.

Use a posição com o número mais baixo.

CH3 CH CH2CH3

Cl CH3(CH2)2CH(CH2)2CH3

CH2CH2Br

2-chlorobutane 4-(2-bromoethyl)heptane

Nomes Sistemáticos Comuns Localizar o alcano parente.

Numerara a vadeia hidrocarbonada de modo a dar o número o

substituinte o número mais baixo.

Mostrar os substituintes de halogénio halogen pelos prefixos fluor-,

cloro-, bromo-, and iodo- e listá-los na ordem alfabetica com os outros

substituintes.

Localizar cada halogénio na cadeia hidrocarbonada.

3-Bromo-2-methyl-pentane

12

34

5Br

4-Bromocyclohexene

1

23

4

56Br

OH

Cltrans-2-Chloro-cyclohexanol

4

56

123

Nomes “Triviais” CH2X2 chama-se haleto de metileno.

CHX3 é o halofórmio.

CX4 tetrahaleto.

Exemplos:

CH2Cl2 é cloreto de metileno ou diclorometano

CHCl3 é clorofórmio

CCl4 é tetracloreto de carbono.

Usos dos Haletos de Alquilo

Solventes – desengordurantes e líquidos de limpeza a seco

Reagentes para sínteses de outros compostos

Anestésicos: Haloetano é CF3CHClBr

CHCl3 usado originalmente (tóxico e carcinogénico)

Freons, clorofluorocarbonos ou CFC’s

Freon 12, CF2Cl2, agora substituído por Freon 22, CF2CHCl, não

é tão tóxico para a camada de ozono.

Pesticidas - DDT banido nos USA

Momentos Dipolares

= 4.8 x x d, onde é a carga (proporcional a EN) e d é a distância (comprimento da ligação) em Angstroms.

Electronegatividades: F > Cl > Br > I Comprimentos da ligação: C-F < C-Cl < C-Br < C-I Dípolos da Ligação: C-Cl > C-F > C-Br > C-I

1.56 D 1.51 D 1.48 D 1.29 D

Dípolos moleculares dependem da forma, também!

Pontos de Ebulição

Forças intermolecular fortes, p.e. elevados Forças de atracção dípolo-dípolo significativamente

diferentes para haletos diferentes Forças de London elevadas para átomos maiores

Massa elevada, p.e. maior Forma esférica diminui o p.e.

(CH3)3CBr CH3(CH2)3Br 73C 102C

Densidades

Fluoretos e cloretos de alquilo menos densos que a água.

Dicloretos, brometos e iodetos são mais densos que a água.

Preparação de RX

Halogenação do radical livre Mistura de produtos, são más sínteses A menos que: todos os hidrogénios sejam equivalentes, ou Halogenação é altamente selectiva.

Halogenação alílica de radical livre Produz haletos de alquilo com dupla ligação no carbono

vizinho.

Halogenação dos alcanos Todos os H’s equivalentes. Quantidades restritas de

halogénio de modo a evitar formação di- ou trihaletos

Altamente selectiva: bromação a 3C

+ HBr

H

BrhBr2+H

H

90%

+ HBrCH3 C

CH3

CH3

Brh

Br2+CH3 C

CH3

CH3

H

Halogenação Alílica Radical alílico é estabilizado por ressonância. Bromação ocorre com bons rendimentos na posição alilica (no C sp3

seguinte ao C=C). Evitar um grande excesso de Br2 usando N-Bromosuccinimide

(NBS) para gerar Br2.

N

O

O

Br + HBr N

O

O

H + Br2

Mecanismo de Reacção

Reacção em cadeia de radical livre iniciação, propagação, terminação.

H HBr

H

+ HBrBr

Br

H Br

+ Br

2 BrBr2h

Reacções de substituição

O átomo de halogéneo no haleto de alquilo é substituído por outro grupo.

O halogéneo é mais electronegativo que o carbono pelo que a ligação C-X quebra heteroliticamente e o X- sai da molécula.

O grupo que substitui o X- é o nucleófilo.

C C

H X

+ Nuc:- C C

H Nuc

+ X:-

Reacções de eliminação

Haleto de alquilo perde o ião haleto e também o ião H+ adjacente ao carbono por acção de uma base.

A ligação pi é formada. Produto é um alceno. Também chamado dehidrohalogenação (-HX).

C C

H X

+ B:- + X:- + HB C C

Substituição Nucleofílica

SN1 ou SN2

Mecanismo SN2

Substituição nucleofílica bimolecular. Reacção concertada: formação de uma nova ligação

enquanto outra se quebra. Velocidade é de primeira ordem para cada reagente. Inversão da configuração.

CH

BrH

HH O CHO BrH

HHCHO

H

HH

+ Br-

Diagrama de energia SN2

Reacção de um passo. O estado de transição é de energia mais alta.

Reacções com mecanismo SN2 Sínteses de outra classe de compostos. Reacção de troca de halogéneo.

Força do Nucleófilo SN2

A reacção é mais rápida se o nucleófilo fôr forte. Bases fortes são fortes nucleófilos, mas nem todos os

nucleófilos fortes são básicos.

Tendência na força dos nucleófilos

Num par ácido-base conjugado, a base é mais forte:

OH- > H2O, NH2- > NH3

Diminui da esquerda para a direita na Tabela Periódica. Átomos mais

electronegativos são menos propensos a formar ligações: OH- > F-, NH3

> H2O

Aumenta de cima para baixo na Tabela Periódica, com o aumento do tamanho e aumento da polarizabilidade: I- > Br- > Cl-

Efeito Polarizabilidade

Nucleófilos volumososEstereamente impedidos para atacar o

carbono, portanto são nucleófilos fracos.

CH3 CH2 O ethoxide (unhindered)weaker base, but stronger nucleophile

C

CH3

H3C

CH3

O

t-butoxide (hindered)stronger base, but weaker nucleophile

Efeito dos solventes (1)Solventes Polares (O-H or N-H) reduzem a força do

nucleófilo. Ligações de H têm que ser quebradas antes que o nucleófilo possa atacar o carbono.

Efeitos do Solvente (2)

Solvente polar aprotico (sem O-H nem N-H) não formam ligações de H com o nucleófilo

Exemplos:

CH3 C Nacetonitrile C

O

H3C CH3

acetone dimethylformamide (DMF)

CH

O

NCH3

CH3

Éteres em coroa Solvata o catião, portanto

a força do anião nucleofilico aumenta.

Fluoreto torna-se um bom nucleófilo.

O

O

O

O

OO

K+

18-crown-6

CH2ClKF, (18-crown-6)

CH3CN

CH2F

Reactividade do Substrato SN2 Carbono tem que ser parcialmente positivo.

Tem que ter um bom grupo abandonante. Carbono não pode ser estereamente impedido.

Estabilidade do Grupo Abandonante Electrão-atractor

Estável uma vez fora do substrato (base fraca) Polarizável para estabilizar o estado de transição.

Estrutura do Substrato

Velocidades relative para SN2:

CH3X > 1° > 2° >> 3°

Haletos terciários não reagem via mecanismo SN2, devido a impedimento estereo.

Estereoquímica da SN2

Inversão estereoquímica

Reacção SN1

Substituição nucleofílica unimolecular. Reacção em dois passos com formação de um

carbocatião intermediário. Velocidade de primeira ordem no haleto de

alquilo e de ordem zero no nucleófilo. Ocorre racemização.

Mecanismo SN1 (1)

Formação do carbocatião (lento)

(CH3)3C Br (CH3)3C++ Br-

Mecanismo SN1 (2) Ataque Nucleofílico

(CH3)3C++ H O H (CH3)3C O H

H

(CH3)3C O H

H

H O H+ (CH3)3C O H + H3O+

• Perda do H+ (se necessário)

Diagrama de Energia SN1

A formação do carbocatião é endotérmica

O intermediário, carbocatião é energéticamente estável.

Velocidade da reacção SN1 3° > 2° > 1° >> CH3X

Ordem segue a estabilidade dos carbocatiões (oposta à SN2)

Ião mais estável requer menos energia para se formar

Melhor grupo abandonante, reacção mais rápida (como a SN2)

Melhor solvente polar protico: solvata os iões mais fortemente com ligações de hidrogénio.

Estereoquímica da SN1Racemização: inversão e retenção

Rearranjos Carbocatião pode rearranjar para formar um

carbocatião mais estável.

Deslocamento do hidreto: H- do carbono adjacente liga-se ao C+.

Deslocamento do grupo metil: CH3- do carbono

adjacente desloca-se se não houver nenhum H disponível.

Deslocamento do Hidreto

CH3 C

Br

H

C

H

CH3

CH3CH3 C

H

C

H

CH3

CH3

CH3 C

H

C

H

CH3

CH3CH3 C

H

C

CH3

CH3

H

CH3 C

H

C

CH3

CH3

HNuc CH3 C

H

C

CH3

CH3

H Nuc

Deslocamento do grupo metil

CH3 C

Br

H

C

CH3

CH3

CH3CH3 C

H

C

CH3

CH3

CH3

CH3 C

H

C

CH3

CH3

CH3CH3 C

H

C

CH3

CH3

CH3

CH3 C

H

C

CH3

CH3

CH3Nuc CH3 C

H

C

CH3

CH3

CH3 Nuc

SN2 ou SN1? Substrato: primário ou metil Nucleófilo Forte

Solvente polar aprótico

Velocidade = k[haleto][Nuc] Inversão carbono quiral Não existe rearranjo

Substrato: Terciário Nucleófilo fraco (pode ser

solvente)

Solvente polar prótico Velocidade = k[haleto] Racemização de compostos

ópticamente activos Produtos rearranjados

Reacções de eliminação

Reacção E1

Eliminação unimolecular Dois groupos perdidos (normalmente X- e H+) Nucleófilo actua como base Também tem produtos SN1 (forma-se uma

mistura de produtos)

Mecanismo E1

Iões haletos abandonam o substrato, formando-se um carbocatião. Base retira o H+ do carbono adjacente. Forma-se uma ligação Pi.

H C

H

H

C

CH3

CH3

BrC

H

H

H

C CH3

CH3

O

H

HC

H

H

H

C CH3

CH3

C CH

CH3

CH3

H+ H3O+

Um olhar mais de pertoO

H

HC

H

H

H

C CH3

CH3

C CH

CH3

CH3

H+ H3O+

Diagrama de Energia E1

Nota: primeiro passo é igual à SN1

Reacção E2

Eliminação bimolecular Necessita de uma base forte Decorre simultaneamente a abstração do

protão e o abandono do haleto – não se forma intermediário.

Mecanismo E2

H C

H

H

C

CH3

CH3

BrC C

H

CH3

CH3

H

OH

+ H2O Br-+

Regra de Saytzeff Se for possível obter mais de 1 produto da eliminação, o produto

de maior quantidade é o alceno mais substituído (mais estável). R2C=CR2>R2C=CHR>RHC=CHR>H2C=CHR

tetra > tri > di > mono

C C

Br

H

C

H

CH3

H

H

H

CH3

OH-

C CH

HC

H H

CH3

CH3

C

H

H

H

C

H

CCH3

CH3

+

minor major

Estereoquímica E2

E1 ou E2

Terciário > Secundário Base fraca Bom solvente ionizante

Velocidade = k[haleto]

Produto Saytzeff Não requer geometria

Produtos rearranjados

Terciário > Secundário Base forte necessária Polaridade do solvente não

é importante Velocidade = k[haleto][base] Produto Saytzeff Grupos abandonantes

coplanares (normalmente anti)

Não há rearranjos

Substituição ou Eliminação? Força do nucleófilo determina a ordem: nucleófilo

forte tem um mecanismo SN2 ou E2.

Haleto primário normalmente é SN2.

Haleto terciário é uma mistura de SN1, E1 (ou E2)

Temperaturas elevadas favorecem a eliminação. Bases volumosas favorecem a eliminação. Bons nucleófilos, mas bases fracas, favorecem a

substituição.

Haletos secundários?

Mistura de produtos são comuns.

Fim do capítulo 6